氧源

在茫茫宇宙中，没有多少天体具备适合人类呼吸的大气层。在对中意的“殖民地”进行大气地球化改造时，往往需要使用人工设置氧源，来为大气充氧。人为制造氧气的方法有很多，它们通常可以归入生物的或非生物的方法两类：

非生物方法

非生物方法主要利用无机化学反应将氧气从含氧物质中分离出来。在富含水的星球上，可以靠电解水来生成氧气 [1] ，火星两极冰盖中和表土下蕴含的水冰可能可以作为氧气的来源。如果不愿消耗宝贵的水资源，我们也可以通过热解土壤或岩石中的过氧化物来达到目的 [2] 。此外，让火星大气中的二氧化碳与氢气反应或直接将之电解也可以获得氧气。

非生物的方法简单直接，但它们对于生态系统的建立并没有多少帮助，而且执行起来往往要耗费巨大的能量，因此并不适合在制氧任务中担当主角。不过，它们仍是重要的辅助手段：在建立星球的生态系统时，如果我们希望尽早引入高效产氧的高等植物（高等植物的根系需要呼吸氧气，无法在无氧环境中生存），就可以利用非生物方法加速大气中氧气的原始积累 [2] 。

生物方法

利用生物的光合作用制造氧气，难处在于要建立一整套生态系统。不过这套系统一旦成功，我们就获得了一个能够自我增殖的氧源。

在火星这样几乎完全不含氧气的星球上，我们首先需要进行生态培育（Ecopoiesis），即创造一个不需要氧气的生态系统 [3] 。在这个阶段中，参与生态培育的生物不仅要面对无氧环境，还必须忍受火星上严酷的自然环境，只有极少数极端生物（Extremophile） [4] 才有可能勉强生存下来。为了增加成功的机会，我们很有可能需要根据火星的条件，通过基因工程培育合适的生物先驱 [2] [3] [5] 。最初的生态系统基本上是古细菌和蓝细菌之类的微生物的天下，这意味着我们可能很长一段时间无法“看”到殖民的进展。

大规模水域是投放先锋物种的首选地点。这样的地点有许多优势，例如环境相对稳定、能够提供对宇宙辐射的防护、具有足够的空间供生物增殖扩张等。但是人类目前已知的火星地表地貌似并不存在这样的环境，因而处理起来会更棘手一些，或许需要其它地球化改造的协同配合。

而随着星球表层环境的改善，我们就可以引入光合作用能力更强的高等植物了，当火星上裸露的陆地逐步被覆盖，大气条件也将变得越来越宜居了。

氧汇

在火星充氧工程开展之初，我们可能会发现大气中氧气积累的速度远低于氧气生产的速度。似乎有什么东西凭空将新鲜产生的氧气“吃”掉了——而且并不是我们人类干的。罪魁祸首是一种被称为“氧汇”的过程，在我们努力改造的星球上，有很多物质可以让氧气消失。如果不能克服这些阻力，氧气将无法在大气中积累到适合呼吸的浓度。

光合作用的逆过程

在地球上，有氧呼吸和有机质的有氧分解是两种重要的光合作用逆过程，它们消耗了光合作用所产氧气的99%以上 [6] 。在一颗几乎不含氧气的星球上，我们暂时不用担心有氧呼吸的影响，但却不能忽视有机质的作用，因为产氧生物本身便会形成大量有机质废料。为了保证充氧工程的效率，我们必须减少这些有机质对于氧气的消耗。

我们可以把死亡的生物埋入氧气无法接触的沉积层中，也可以将这些有机质封入人工容器，或者使用不耗氧气的方式将其分解……总之，任何能够将它们与氧气隔绝的方法都可以使用。不过，我们最好保留这些有机质，因为它们可以是调节大气圈与水圈中氧气含量的重要砝码 [7] ，很可能在未来的某一时刻派上用场。

还原性气体

如果我们想要改造的星球上含有大量的还原性气体，如甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫等 [6] [7] ，它们便会与新产生的氧气发生反应。此外，评估一颗星球大气的还原性不能仅局限于现有的大气，火山活动以及变质作用能够产生新的还原性气体，所以对待那些内部比较活跃的星球需要格外谨慎。再者，无氧条件下微生物活动也是还原性气体的重要来源之一，需要尽可能避免。

要对付还原性气体，一个简单却并不高效的方法是用氧气消耗它们。这种方法必须保证氧气的生产率高于星球上还原性气体的产率。我们也可以使用其他方法除去那些气体，但那通常意味着额外的成本。在对付还原性气体时，还有一个问题需要特别注意：它们当中有部分属于温室气体（例如甲烷），若大量损耗便有可能导致气候变冷，甚至引发冰川事件——这对于刚刚建立的生态系统而言无疑将是一场灾难。为了避免悲剧发生，我们要时刻监控改造对象的气温，必要时要向大气补充性质稳定的温室气体（如二氧化碳）。

好在我们改造火星时并不需要面对这样的问题：火星大气中95%以上的成分是二氧化碳，而最主要的还原性气体是含量仅为0.07%左右的一氧化碳 [8] ，这并不会对充氧工程造成多少困扰。而且就目前的观察来看，火星的内部似乎并不活跃，应该也不会排出太多的还原性气体。

不过，科学家们曾观察到火星上有强烈的的甲烷释放现象 [8] ，这些源头未知的甲烷很可能成为充氧工程的威胁，但它们同时也意味着潜在的能源甚至是地外生命活动的证据。这次，好奇号在火星上的任务之一便是要检验之前的观测，并通过碳同位素测试来分析这些甲烷的来源。

有氧风化

在星球漫长的缺氧历史中，可能会有大量还原性物质聚集在它的表面，这对于氧气的积累无疑又是一个重要的阻碍。在地球上，硫和铁是两种含量十分丰富的氧化还原敏感元素，含有还原态硫、铁的物质是有氧风化的重要对象 [6] 。作为与地球类似的行星，铁和硫同样也是火星的重要化学成分 [9] 。不过在火星表面，铁已经被氧化为3价（原因尚不清楚，但应该不是氧气的杰作），所以并不成为氧气积累的障碍。至于火星表层是否存在其他耗氧物质，我们仍需更多数据才能充分了解——好奇号火星车上搭载的设备应该能提供重要的信息。

如果我们在火星表面发现了还原性物质，让氧气与它们自行发生反应可能是最为现实的方法——幸运的是，有氧风化会在星球的表面形成风化层，将其下的还原性物质与氧气隔绝，从而减少我们的麻烦。当风化层形成以后，我们应当在上面播种植被，以免它们被风与水流轻易破坏。此外，允许有氧风化发生还可以促进产氧生物的繁殖：在地球上，有氧风化与随后的搬运作用将大量营养元素（例如铁、钼等）从陆地带到海洋，滋养了那里的生物。在改造火星时，我们没有理由不去利用这套免费的喂养系统。

建立平衡

当我们在火星上安置了氧源，并且克服了氧汇所带来的阻力，那么大气中的氧气含量就会源源不断地增加。但如果这种情况一直持续下去，越来越高的氧气含量会使得这颗星球变得易燃，最后成为真正的“火星”。所以，当大气中的氧气含量达到一定量之后，我们不仅需要调整氧源，也需要安排氧汇，以求在二者之间建立一种稳定的动态平衡——这才是充氧工程的终极目标。这种平衡一旦达成，就说明我们已经成功地改造了火星大气，火星殖民计划也可以顺利地进入下一步了。

理论上，我们应对火星地质、大气情况作出充分的了解之后，再通过精确复杂的计算，将氧气的源与汇进行统筹安排，一举完成任务——就像高明的演奏家拨动琴弦，将复杂的音符转变为悦耳的曲目那样。可是现实总是不完美的。我们缺乏对复杂系统的认识、缺乏足够强大的计算能力，更缺乏调控大型生态系统的经验。在实践之中，等待我们的一定是一条充满挫折与失败的道路。但无需气馁，因为人类是这样一个物种：我们会从自己的失败中汲取经验，然后再进一步地努力，争取走得更远。